原始物理问题ppt课件.ppt
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1、“国培计划”2013 示范性远程培训项目 原始物理问题教学 首都师范大学 邢红军 博士 教授 博士生导师 20134,一.概况 二.已做的工作 三.表征理论 四.测验工具 五.双峰分布 六.最新的进展 七.原始物理问题解决的案例 八.解决原始问题的思维过程研究,一概况,2003年以来,我们认识到原始物理问题的重要价值与意义,发展出一个新的物理教育研究领域原始物理问题教学理论。,一个值得所有物理教师深思的问题 我们培养的学生到底是什么样的学生? 我们是否要反思我们的物理教学?,69,来自台湾的清华大学工程物理系教授程曜有感于在清华大学讲课的体会,在新华每日电讯上发表文章: 这些清华的大学生,像是
2、只会考试的文盲,除了考试,他们不会推理,不敢提问,不愿动手。课本里没有的他们不会,他们不会将上课的知识应用到日常生活中,因为这些知识只是用来考试的。,68,他呼吁: 全社会都来救救这些孩子,把他们的思想紧箍咒拿掉,让他们开始思考。,杨振宁: 我国物理教育的有效性如何?杨振宁教授认为,“中国过去几十年念物理的养成了念死书的习惯。整个社会环境,家长的态度,报纸的宣传都一贯向这个方向引导。其结果是培养了许多非常努力,训练得很好,知识非常扎实的学生,可是他们的知识是片面的,而且倾向于向死的方向走。这是很有害的。”,67,为什么中国学物理的学生都养成了念死书的习惯?杨振宁教授分别从教学方法和学习方法两个
3、方面进行了深入分析。,对于我国的物理教学方法,杨振宁教授指出,“中国现在的教学方法,同我在西南联大时仍是一样的,要求学生样样学,而且教的很多、很细,是一种填鸭式的教学方法。这种方法教出来的学生,到美国去,考试时一比较,马上就能让美国学生输的一塌糊涂。但是,这种教学方法的最大弊病在于,它把一个年轻人维持在小孩子的状态,老师要他怎么学,他就怎么学。”,66,对于我国学生学习物理的方法,杨振宁教授同样提出了尖锐的批评。“美国学物理的方法与中国学物理的方法不一样。中国学物理的方法是演绎法,先有许多定理,然后进行推演,美国对物理的了解是从现象出发,倒过来的,物理定理是从现象归纳出来的,是归纳法。演绎法是
4、学考试的人用的方法,归纳法是做学问用的办法。”,65,出现这种现象的原因何在?杨振宁教授认为,“很多学生在物理学习中形成一种印象,以为物理学就是一些演算。演算是物理学的一部分,但不是最重要的部分,物理学最重要的部分是与现象有关的。绝大部分物理学是从现象中来的,现象是物理学的根源。一个人不与现象接触不一定不能做重要的工作,但是他容易误入形式主义的歧途;他对物理学的了解不会是切中要害的。” 可谓单刀直入,切中要害。,64,从杨振宁教授的基本思想出发,我们认为:在物理教育中,与演算对应的具有可操作性的物理教育方式是物理习题教学,而与物理现象对应的具有可操作性的物理教育方式则应当是原始物理问题教学。简
5、言之,解决我国物理教育低效能的根本措施就是要在物理教育中打破习题教学一统天下的传统局面,通过引进原始物理问题来逐步与物理习题相结合,从而达到提高物理教育效能的目的。,63,赵凯华认为: 在我们的教学中,同一问题,既可以把原始的物理问题提交给学生,也可以由教师把物理问题分解或抽象成一定的数学模型后再提交给学生。习惯于解后一类问题的学生,在遇到前一类问题时,往往会不知所措。,62,赵凯华还说: 学习物理,不做习题是不行的。但做习题不在于多,而在于精。,62,物理教育的现状: 着眼于推演,落脚于习题,物理教育与物理现象相脱离,物理教育效能不高。,基于物理教育的现状,我们发展出了一个有效改变物理教育低
6、效能的理论: 原始物理问题教学理论,61,原始物理问题的定义,定义:原始物理问题是对物理现象的描述。指自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的典型物理现象和事实。,物理习题的定义,定义:物理习题是对物理现象的抽象。指自然界及社会生活、生产中客观存在且已被加工的典型物理现象和事实。,一个基本观点,原始物理问题属于问题(没有已知条件)物理习题属于习题(有已知条件) 二者具有原则性的区别物理课程标准说,一个好的习题就是一个科学的问题 。?,杨振宁的观点:物理学的根源是物理现象爱因斯坦科学思维过程理论:科学思维的开始和终结都是超逻辑(直觉)思维,只有中间过程是逻辑思维教育生态学:强调在真实、自然情
7、境中研究教育规律以及学生的心理活动规律,强调提高教育活动的可应用性和普遍适用性,建立合理的教育生态环境,提高教育的效益,促进人才迅速成长和发展。,理论基础,60,爱因斯坦的科学思维过程理论认为,科学思维的开始和终结都是超逻辑(直觉)思维,只有中间过程是逻辑思维。我们认为,习题教学“掐头去尾烧中段”,没有给学生提供真实的问题情境,只侧重了演算环节和推导环节,缺少了问题的始末两个环节,直接导致了科学思维开始和终结直觉思维的缺失。,57,教育生态学:,习题的人为性这一固有缺陷,削弱了科学教育特有的教育价值,难以揭示真实、自然条件下的科学教育规律,所以在科学教育中强调生态性是有必要的。我们主张,应该把
8、习题固有的严格性移植到自然、真实的科学环境中采用原始问题的形式,使科学教学既能够强调推导、演算而不降低知识传授效率,又能够在真实情景中进行探究而提高学生能力,从而将科学教育的内部效度和外部效度很好的结合起来。,56,典型的原始问题:有人认为婴儿有成人抱着坐在汽车里很安全,现在请你估计一下,在很短时间的撞车中,需要多大的力才能抱住婴儿?,典型的习题:婴儿由成人抱着坐在汽车里也是很不安全的。请计算:在一切发生在0. 1秒的撞车中,若撞车前车速为60千米/时,需要多大的力才能抱住一个10千克的婴儿?,原始物理问题与习题的区别,原始物理问题,自行车转弯人在骑自行车转弯时,需要倾斜一定的角度。问:满足什
9、么条件才能使人在骑自行车转弯时既不翻倒,又能顺利转弯?,G,mg,f,N,O,设自行车和人的重力为mg,合重心到地面的距离为l,支持力为N,摩擦力为f,转弯时速度为v,转弯半径为R,则有:,以G点为转轴:,1)是对现象的描述,没有对现象作任何程度的抽象;2)基本是文字的描述,通常没有任何己知条件,其中隐含的变 量、常量等需要学生自己去设置;3)没有任何示意图,解决问题所需要的图像需要学生自己画出;4)对学生来说不是常规的,不能靠简单的模仿来解决;5)来自真实生活情境;6)具有趣味和魅力,能引起学生的思考和向学生提出智力挑战;7)不一定有唯一的答案,各种不同水平的学生都可以由浅入深 地作出回答;
10、8)解决它需伴以个人或小组的活动。,原始物理问题的特点,习题的特点,1)不是对现象的描述,而是对现象高度的抽象;2)虽然也是文字的描述,但所有己知条件都已经给出,不需要学生自己去设置;3)凡是解题所需要的图像都已经画出,不需要学生自己画出;4)对学生来说是常规的,靠简单的模仿即可解决;5)少部分来自真实生活情境,大部分没有真实生活情境;6)缺乏趣味和魅力,主要用来训练学生掌握知识;7)有唯一的答案;8)个人解决,不需要小组活动。,我们对原始物理问题的看法:,我们认为,原始物理问题既是一种新的物理教育思想、一种新的物理教育理念,一种新的物理教育方式,又是一种新的物理学习方式、一种新的物理教育资源
11、、一种新的物理教育评价。因此,原始物理问题教学是一种创新的物理教育理论。 不应当把原始物理问题理解为仅仅是问题解决理论,它贯穿了物理教育的全过程,我们工作的创新:,把原始物理问题与物理现象结合起来由于“物理学的根源是物理现象”,这就把物理教育的起点置于物理学的根源之上把原始物理问题与生态学理论结合起来由于原始物理问题是真实的物理问题,这就使物理教育成为生态化的教育把原始物理问题与协同学理论结合起来由于原始物理问题解决涉及内外信息的相互作用,这就使学生的认知过程成为一个从被组织到自组织的转变过程,我们工作的创新:,4 提出了原始物理问题的表征理论运用协同学的主方程进行了原始物理问题表征的定量研究
12、,发现了双峰分布与转移现象运用AMOS4.01软件进行了原始物理问题表征影响因素的结构方程模型研究,得到了原始物理问题表征影响因素,二已做的工作,论原始物理问题的教育价值及启示 课程教材教法,2005-1;从习题到原始问题:科学教育方式的重要变革 课程教材教法,2006-1;对原始物理问题教学的思考 中国教育学刊,2006-8;,我们在cssci期刊上发表了系列论文,奠定了原始物理问题研究的基础,原始问题教学:物理教育改革的新视域 课程教材教法,2007-5;论高考物理能力理论与命题导向 课程教材教法,2007-11;原始物理问题测量工具:编制与研究 课程教材教法,2008-11;,cssci
13、系列论文,自组织表征理论:一种物理问题解决的新理论 课程教材教法,2009-04从数据驱动到概念驱动:物理问题解决方式的 重要转变 课程教材教法,2010-03物理教育的生态化及其对物理课程改革的启示 教育科学研究 2010-1 10. 物理问题解决的影响因素研究 课程教材教法, 2012-06,我指导的10名研究生的硕士论文围绕原始物理问题进行了深入研究。我指导的研究生在物理教师、 物理教学 、中学物理 中学物理教学参考 、物理教学探讨、 物理通报等刊物上发表10 余篇有关原始物理问题教学的论文。,三表征理论,依据协同学理论,我们提出了物理问题解决的自组织表征理论(Self Organiza
14、tion Representative Theory),简称SORT。SORT认为:问题解决是一个连续与突变相结合、独立与关联相结合、控制与自发相结合、协同与竞争相结合、必然与偶然相结合的过程。包括以下几个方面。,依据SORT的理论内涵,我们进一步提出了SORT的表征层次,分别是:定向表征、抽象表征、图象表征、赋值表征、物理表征、方法表征和数学表征。,1.定向表征,定向表征是判断原始问题是一个什么方面问题的表征层次。学生需要根据问题对物理现象的描述和已知理论,凭借不严密、不连续、不完整的逻辑或非逻辑方法对原始问题形成适应性、启发性的领悟,这种表征就带有大幅度跳跃式提取信息和加工信息的特点。由于
15、原始问题呈现的不明确性,这一表征通常表现出突变性。即学生对问题的定向是突然产生的。,2.抽象表征,抽象表征是原始问题解决中决定舍弃什么,保留什么的过程?是抓住主要因素,忽略次要因素,把原型转变为模型的过程。在这一过程中,理想化方法是普遍使用的方法。从物理现象中抽象出理想客体并在思维中模拟、操作的过程,需要通过想象,运用直觉与逻辑思维,把客体运动过程简化、纯化使其升华为一种理想状态,使其能更本质、更生动地反映原始问题的性质。这一表征阶段往往表现出思维的协同与竞争。,3.图象表征,图象表征是学生解决问题过程中画出草图的过程,往往需要形象思维的参与。图象表征是原始问题特有的表征,需要学生自己来完成。
16、而习题解答则不需要学生来完成,因为在大多数情况下,习题已经把解答所需要的图象给出了。,4.赋值表征,赋值表征指根据解决问题的要求,设置所需要的物理量,包括常量和变量,有时甚至需要设置一些中间变量,即在问题解决的中间过程出现,但在最后的结果中却不再出现。,5.物理表征,物理表征是确定解决问题需要使用的物理概念和规律并加以运用。物理表征往往表现出关联性,即需要把原始问题与先前学习的物理概念和规律联系起来。,6.方法表征,方法表征是把解决问题时需要运用的科学方法(包括思维方法与物理方法)确定下来并运用之。方法表征同样往往表现出一定的关联性。,7.数学表征,数学表征指在问题解决过程中进行推导时所运用的
17、数学步骤,包括列方程,解方程,进行必要的数学变换。,综上所述,原始问题解决的表征层次可以用图3概括。,图3,四测验工具(高中),1.“瓦萨”舰翻倒(20分) 1682年8月10日,瑞典的斯德哥尔摩,有一当时最大的主力舰“瓦萨”号,正在举行首航仪式,一阵微风吹来,就使它反倒沉没了!这是为什么呢?几百年来一直是个谜。1961年4月24日,这艘在海底沉睡了几百年的古战舰终于被打捞起来了,沉船之谜被揭开。请你利用所学的物理知识定量地解释“瓦萨”号翻倒之谜。,2.篮球落地(20分) 一蓝球自某一高度自由下落,撞到地面后又弹起,上升到一高度后又自由下落,以后又弹起,下落,一次又一次直至蓝球静止。请画出在整
18、个过程中蓝球的加速度随时间的变化图线,并定量地解释每一段图线为什么是这样画的。,3.电风扇阴影(20分) 一台双叶电扇顺时针转动,在日光灯的照射下,出现了稳定的四个扇叶互相垂直的样子,则这时电扇的转速是多少?若出现了双叶片缓慢地逆时针转动,这时电扇的转速略大(小)于多少?,4.飞机的感应电动势(20分) 一架飞机由东向西飞行,请根据所学的物理知识导出这架飞机上的感应电动势的表达式。要注明每个字母所代表的物理意义。,5.轮船减摇(20分) 轮船航行的时候,会受到周期性的波浪的冲击而向各个方向摆动,如果这个冲击力的频率与船体摆动的固有频率接近,就会使轮船的摆动加剧,一旦达到共振状态就有使轮船倾覆的
19、危险,这时候可以改变轮船的航行方向和航行速率,使波浪冲击的频率远离轮船摇摆的固有频率,避免共振的发生。 请推导出一个表达式,说明改变轮船的航向和航速,就能使波浪冲击的频率远离轮船摇摆的固有频率,最终达到使轮船摇摆减轻的目的?,为了考察原始物理问题测量工具的有效性,我们运用SPSS10.0软件,对原始物理问题测量工具的难度、区分度、信度和有效度进行了计算。难度H=0.68,说明题目难度适度。区分度D=0.52,说明是一个优秀的测量工具。信度 克劳伯克系数等于 0.882 ,表明原始物理问题测量工具具有较高的内部一致性。,效度 我们对学生表征层次上的得分进行了探索性因素分析 ,结果仅获得一个因素而
20、且不能旋转,因素负荷从0.582到0.850. 由此可见,原始物理问题测量工具具有较好的结构效度。,四测验工具(初中),1两人抬一个重量均匀的木箱走楼梯上楼,请你推导出一个表达式,说明是前面的人用的力大还是后面的人用的力大?(20分),2地球周围被一层很厚的空气包围着,一直延伸到几千千米的高空,这个空气层叫大气层。在大气层里,空气的密度是随高度而变化的,越靠近地面越稠密,越到高空越稀薄。请你推导出一个表达式,计算地球大气层空气的总重量(20分),3压力锅是利用橡皮圈密封锅盖增加锅内压力,达到升高锅内水的温度的目的。锅盖的中间有一个小孔,在小孔上套加一金属压力锤。当锅内汽压达到一定大小时,锅内蒸
21、汽就会顶起压力锤排放蒸汽,使锅内汽压维持一定大小。请推导压力锅内汽压大小的表达式。(20分),4有些农村的家庭电路,在夜晚用电高峰时白炽灯昏暗,日光灯无法正常启动。而到了后半夜用电低峰时,白炽灯就正常发光,日光灯也能正常启动。请结合有关的物理学定律,画出相关的图象,设置相关的物理量,用表达式说明其原因。(20分),5.在一个小水池里,浮着一条船,船载满了石块,如果把石块全部扔到水池里,池里的水面将会上升还是下降?,五双峰分布,为了验证自组织表征理论,我们运用原始物理问题测量工具,对中学生解决原始物理问题进行了研究。结果发现学生的成绩呈一种新的分布形式,如下图4。,图4,学生成绩直方图不是正态分
22、布(或正偏态和负偏态分布),而是呈现协同学的典型双峰分布。这是一个新的结果,它与长期以来人们通常认为的问题解决能力分布为正态分布的传统观点有所不同,对于问题解决研究有新的启示。,为了更深入地研究双峰分布现象,我们采用相同测验工具,随机抽样分别选取了三所中学高三年级320名学生、317名学生和320名学生进行了测试。结果表明:三所学校学生得分直方图仍然呈双峰分布。进一步研究发现,随着不同学校学生能力水平的变化,双峰分布出现转移。低分数高峰不断上升,高分数低峰不断下降,如下图5。,原始物理问题解决的协同学研究,基于协同学的广泛适用性和人的大脑的自组织特性,我们假定:哈肯的研究结果可以运用到问题解决
23、的研究上来,因此,就可以建立一个关于问题解决的数学模型。该模型的基本思想是:一种问题解决的不同表征是由该问题解决中的所有被试的不同表征水平或表征状态决定的,而由于群体内部的个体之间密切的相互作用,从而使得个体的表征在内外因素的影响下不断改变。从宏观的角度看,问题解决的表征作为一个系统其内部存在由一种表征变化为另一种表征的转移概率,这种转移概率可以作为描述问题解决系统有序程度的宏观参量,并通过这种宏观参量来把握问题解决的演化趋势,确定问题解决是处于一个平稳、缓慢的变化过程中,还是处于将发生突变的临界点。有关的研究表明:学生在解决问题过程中的表征是动态的,会在不同的表征层次之间来回往复(任红艳,2
24、005)。这事实上就是一种表征变化为另一种表征的转移概率。这样,我们就把协同学的非线性动力学方法引入到了问题解决中来。,转移概率和参数的估计 对某一被试群体,取样本的人数为2N,表征状态正确的规定为1,表征状态错误的规定为2。分别考察在t1和t2时刻的状态。用n11表示在时刻t1和时刻t2都是表征正确的人数,也就是在经过t以后表征1没有变化的人数,用n12表示在时刻t1时持有表征1而在时刻t2时持有表征2的人数,即在经过t以后由表征1转为表征2的人数。类似的,n21表示在时刻t1时持有表征2,而在时刻t2时持有表征1的人数,即在经过t以后由表征2转为表征1的人数,n22表示在时刻t1和时刻t2
25、都是持有表征2的人数。并依然按照前面的规定,将在时刻t持有表征1的人数用n1表示,持有表征2的人数用n2表示,总人数为2N。所获得的数据可以排成表4-10。,原始物理问题解决的协同学研究,根据协同学理论,双峰分布可以解释为:大部分学生的的问题解决能力处于较低水平(左侧高峰),即被组织状态;小部分学生的能力处于较高水平(右侧低峰),即自组织状态;少部分学生处于从较低能力水平向较高能力水平转变的水平(中间低谷),即临界状态。也就是说,中学生解决原始问题的表征存在有临界区域。不能跨越临界区域的学生其认知状态表现为被组织状态,而跨越临界区域的学生则表现为自组织状态。,六最新进展,最近的工作:原始物理问
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